- La portance :
Contrairement à ce que l'on croit souvent, une aile
n'est pas portée
par l'air mais aspirée. En effet, lorsqu'il y a déplacement
relatif du profil (l'aile) par rapport au fluide, une répartition de pression
s'établit autour de celui-ci. L'aile schématisée par
une plaque plane (figure 1) est plaçée en incidence,
une écoulement uniforme provenant de la gauche. (principe 0 de la
mécanique des fluides: Un fluide vient toujours de la gauche !!!!).
Figure 1
L'écoulement amont va se diviser en deux parties: La première
partie va passer par le haut, par l'extrados (Zone B) et la second
va passer par le bas, par l'intrados (Zone A). Grossièrement
on peut dire que dans la zone B, le fluide va subir une dépression
et donc un accélération du fluide. A l'opposé, dans la zone
A, la pression du fluide augmente et sa vitesse diminue. Si on intègre
la répartition de pression ainsi obtenue, on obtient une force résultante
appelée portance. La valeur de la portance est proportionnelle
au carré de la vitesse. Dans l'expression analytique de la portance,
apparaît un coefficient sans dimension Cz qui représente
le "potentiel" de portance du profil. Le Cz
intègre en son sein l'incidence et dépend donc de celle-ci.
- La couche limite :
Si le fluide était parfait (c'est-à-dire non-visqueux et
incompressible), l'histoire s'arrêterait là notamment en ce
qui concerne les hypothèses retenues dans le programme voile.f
. Il est en effet démontré que dans la théorie
des profils en fluide parfait que la seule force étant créée
par le positionnement d'un profil dans un écoulement est une force
de portance perpendiculaire à la vitesse amont. Cependant les fluides
réels sont visqueux. Le fluide en effet ne glisse pas sans frottement
sur la surface d'un profil. Par continuité, la partie du fluide
qui est infiniment proche de la paroi d'un profil possède une vitesse
nulle. Il est résulte un accroissement progressif de la vitesse
au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la paroi. La zone
dans laquelle l'écoulement est freiné de par sa proximité
avec la paroi est appelée couche limite. En premier lieu, on peut
considérer qu'un profil turbulent peut être approximé
par un profil en 1/7eme .
- La traînée :
Ce caractère visqueux des fluides réels entraîne l'apparition
d'une force de traînée qui s'oppose au mouvement de l'aile.
Les aérodynamiciens distinguent deux types de traînée
dans les écoulements des fluides réels:
- La traînée de frottement qui résulte de la composant
tangentielle du vecteur contrainte à la surface du corps solide.
Elle provient uniquement des contraintes visqueuses à la paroi.
- La traînée de pression qui résulte de la composant
normale du vecteur contrainte à la paroi ce qui correspond usuellement
au champ de pression pariétale.
L'existence de cette traînée a amené les ingénieurs
à définir la finesse d'un profil. La finesse est le
rapport entre la portance (ce que l'on veut) et la traînée
(ce que l'on voudrait éviter). Plus la finesse est grande plus l'ingénieur
est content. Pour un avion par exemple, une finesse importante se traduira
par une économie de carburant. Pour l'application qui nous concerne
ici, une grande finesse permettra au bateau d'atteindre des vitesses plus
élevés en fournissant le même travail. La finesse est
donc l'un de nos soucis majeurs.
Tout comme la portance, la traînée est proportionnelle au
carré de la vitesse. De plus, on peut considérer en première
approximation que la traînée varie au carré de l'angle
d'incidence. De même que pour la portance, on définit un coefficient
Cx (c'est à un coefficient près
le même Cx que l'on retrouve dans la mesure de l'aérodynamisme
d'une voiture).
- Décollement, décrochage et autres perturbations
Lorsqu'un profil est en forte incidence, on conçoit aisément que
le fluide aura plus de mal à suivre le contour de celui-ci. Si l'on
place une plaque perpendiculairement à l'écoulement, on constate
effectivement qu'il n'y a plus d'écoulement sur les deux faces.
Lorsque l'écoulement n'est plus capable de suivre le profil, il
décolle. Une poche de fluide "mort" (dont la vitesse
est très faible par rapport à la vitesse de l'écoulement
amont) se créee entre le profil et l'écoulement proprement
dit. Lorsque ce phénomène apparaît, on dit que l'aile
décroche car ses performances aérodynamiques diminuent très
fortement. On peut se rendre compte de ce phénomène en regardant
respectivement les courbes de Cz et de
Cx où pour de fortes incidences,
la portance diminue
et la traînée augmente.
- Effet tridimensionnel
C'est l'existence d'un gradient de pression qui permet à l'aile
de voler. Mais pour que ce gradient existe, il faut que l'on empêche
l'existence d'un écoulement de la partie en surpression vers la
partie en dépression. Cela est vrai puisque l'aile est un obstacle physique.
Mais celle-ci étant de longueur finie, le fluide en bout d'aile
à une furieuse envie de s'écouler de l'extrados vers l'intrados.
Il en résulte un écoulement latéral qui génère
des tourbillons diminuant la performance de l'aile.
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